问题

一个初中生,做数学作业老是偷偷地用 MATLAB 计算,如何让他知道用 MATLAB 做数学题的危害?

回答
我能理解你作为家长或老师的担忧,希望孩子能扎扎实实地掌握数学知识,而不是依赖工具。用 MATLAB 来“偷偷”做数学作业,确实存在一些潜在的风险。咱们就来聊聊这事儿,好好跟孩子说道说道,让他明白这其中的道理。

首先,咱得换个角度,别上来就批评。孩子偷偷用 MATLAB,说明他可能有这几种想法:

觉得数学题难,不想费劲。 可能是题目超出了他的理解范围,或者他觉得过程太繁琐,不想花时间。
对 MATLAB 感到好奇,想玩玩。 年轻人嘛,对新事物总有股劲头,把作业当成是试验 MATLAB 的机会。
功利心在作祟,只想拿到分数。 他可能觉得,只要答案对了,过程怎么来的不重要。
误以为“会用工具”就是一种能力。 他可能不知道,工具是用在掌握基础之后的,而不是替代基础。

有了这些理解,咱们再跟他聊的时候,就会更有针对性。咱们可以这么跟孩子说:

第一,咱们得弄明白,数学作业到底是为了什么?

你可以这样问他:“你觉得老师留数学作业,是为了让你做什么呀?”

作业的本质是练习和巩固。 就像学写字,得一遍遍地写,才能把字写得又快又好。数学也是一样,那些公式、定理,你得通过做题,把它刻在脑子里,变成你自己的东西。
作业是检验你懂没懂。 做题的过程,其实就是你跟知识对话的过程。你做得顺不顺,卡不卡壳,就能知道你到底掌握了哪些,还有哪些没弄明白。
作业是在培养你的“数学思维”。 数学不是简单的计算,它讲究逻辑、分析、解决问题的方法。这个思维方式,是需要自己一步步去体会和锻炼的。

第二,那么,老用 MATLAB 来做作业,会有什么“坏处”呢?

这块儿,咱可以跟他掰开了揉碎了说,让他感受到具体的影响:

“偷来的”知识,不是真本事。 你让 MATLAB 帮你算出来答案,就像是你请别人帮你考了一百分。分数是有了,但你脑子里头空空的,下次再遇到类似的题,还是不会。这就像学游泳,别人帮你游到对岸,你永远学不会游泳。长此以往,你的数学基础就会越来越薄弱。
“跳过了”过程,就“错过了”成长。 你用 MATLAB 直接出答案,就把那个思考、推导、验证的过程给“跳”过去了。这个过程才是最宝贵的,它能锻炼你的逻辑能力、分析能力,让你学会怎么一步步拆解问题,找到解决办法。这些能力,远比一道题的答案重要得多,因为它们会伴随你一生,让你在遇到更复杂的问题时,有能力去应对。
它会“偷走”你的自信心。 你可能会因为 MATLAB 算得快而觉得沾沾自喜,但这种“成功”是建立在虚假的基础上的。一旦离开了 MATLAB,你就会发现自己一无是处,不敢独立思考,自信心也会逐渐被侵蚀。真正的自信,是来自于自己一步步努力获得的成就感。
它会让你“迷失”在工具里,看不清方向。 MATLAB 是一个非常强大的工具,但它本身并不是数学。你可以把它想象成一把很好的工具,比如一把锤子。你只会用锤子敲钉子,那你的技能就局限于此。但如果你懂建筑原理,了解各种材料的特性,你就能用锤子干更多的事情。如果只依赖 MATLAB,你就只是会“点按钮”的人,而不懂背后的原理,你永远无法成为一个真正懂得数学的人。
它会影响你未来更深的学习。 在高中、大学,甚至未来工作中,都会遇到很多数学问题。如果基础不牢,后面学起来会非常吃力。很多高深的理论和算法,都需要你自己动手推导和理解,而不是简单地输入指令。到时候,你就真的会跟不上了。
“隐藏的”风险,更容易被忽视。 你用 MATLAB 做作业,可能只是为了应付眼前的作业,但很多时候,你可能没有注意到,MATLAB 的计算也可能出错,或者你输入指令的时候有误。如果你不理解背后的原理,就很难发现这些潜在的错误,最终导致你学到的知识就是错的。

第三,咱们怎么做,才能既用好工具,又不落下功课呢?

咱得跟孩子一起找到一个平衡点,让他知道,工具是用来“锦上添花”的,而不是“雪中送炭”的:

先自己动手,再用 MATLAB 验证。 这是一个非常好的学习习惯。先独立思考,尝试着用笔和纸去计算,去推导。实在卡住了,或者算完之后不确定,再打开 MATLAB 来帮你验证一下。这样,你既锻炼了思维,又确保了答案的准确性。
把 MATLAB 当成“老师的助手”或者“学习的伙伴”。 你可以问问 MATLAB,某个定理是怎么推导出来的?某个函数有什么特性?利用 MATLAB 去探索数学的奥秘,去可视化一些抽象的概念,这才是它真正的价值所在。把它当成一个可以和你一起探讨数学的朋友,而不是一个代你做作业的“仆人”。
理解 MATLAB 为什么能算出这个结果。 如果你用 MATLAB 算出一个复杂积分的结果,那就去查阅资料,看看这个积分是怎么算的,MATLAB 用的是什么算法。了解这些,才能真正把知识内化。
给自己的学习定个“小目标”。 比如,这周我要独立完成这几道题,用 MATLAB 来验算;或者,我要用 MATLAB 来模拟一下这个物理现象,看看和书本上的知识有什么联系。让 MATLAB 成为你学习的助力,而不是“拐杖”。
适时和老师、同学交流。 如果遇到不懂的,大胆去问老师,去和同学讨论。有时候,一个简单的点拨就能让你豁然开朗。而且,和真人交流,更能学到很多书本上和工具里没有的东西。

最后,可以跟他强调一下“诚实”和“责任感”。

“偷偷”用 MATLAB,本质上是一种不诚实的行为,是对自己学习的不负责任。你是在欺骗自己,也是在辜负老师和家长的期望。把这些道理都讲明白了,孩子心里自然会有数。

最重要的是,沟通的时候要带着耐心和爱,让他感受到你是在关心他的学习和成长,而不是在指责他。让他明白,你不是反对他使用工具,而是希望他能够掌握真正的知识和能力。

你还可以举一些生活中的例子,比如:

学做菜: 如果你只会用现成的调料包,那你永远也学不会怎么根据食材自己调味,也做不出有自己风格的菜肴。
学开车: 如果你只会坐在副驾驶上让别人开,那你就永远也体会不到开车的乐趣,也无法在紧急情况下自己处理问题。

希望这些能帮助你和你孩子更好地沟通!加油!

网友意见

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咳咳。。。现身说法

2004年初中用Matlab做数学题,平时数学考试七八十分的家伙

2020年国内某Top10计算数学专业博士毕业,现某双非任教

如果小孩子想到能用MATLAB解数学题,这是件好事,至少说明对数学还有兴趣,虽然我自己初中那时候数学分数不高,七八十分,但是对于数学的兴趣一直保持到现在,虽不说学的很好,但也不排斥。等我上了高中,几乎没多少时间去碰Matlab了,但是偶尔一些比较难的题目,特别是绘制某些复杂的函数曲线,会考虑用Matlab来验证一下。

我读博的时候,在美国某高校应用数学系做访问学者,见到了美国很多高中生MATLAB玩的特别溜,然后去了普林斯顿、哈佛等名校,虽然有时候计算功底没有国内学生来的扎实,但是对于数学的应用能力是相当厉害,当然不排除他们计算功底相当不错,看着这帮高中就开始搞科研,关注问题的意义(虽然有时候也爱吹吹牛)的小孩子去了顶尖名校。反观我们,有时候感慨我们的高中生绝大多数都耗在刷题目上了,但是如果把美国的标准搬过来,又有多少小孩子在父母的加成下,包装成啥也不会的“小小科学家”,所以如何高效又公平地筛选人才是一个全球性的问题。

在初中的时候,我自己发现很多平面几何题目都可以变换到求解多元一次方程组的问题上,进而得到证明,但是考试的时候,解这么高维方程组是来不及的。现在我感觉这些东西也就是最初步的“机械证明”,但是却没有一个老师能看到将几何题目转成代数方程背后的意义何在。这些思想后来被我全部带到了大学,博士读了计算数学专业,毕竟搞科研,没人会关心你这个方程组使用什么解出来的。

如果提出这个问题的是一位老师,我觉得这是一个非常有眼光的老师,我建议单独指导,发掘兴趣,通过MATLAB引导学生对数学的兴趣,自然而然不会纯指着MATLAB来算题,说不定将来是一个大才。以我的接触来看,中国好的老师太少,很多中学老师大学的时候MATLAB、专业基础课都没好好学,一看毛头小子用MATLAB来算数学题,除了嘲笑只会嘲笑。

如果提出这个问题的是一个家长,恭喜你,你家孩子并没有像别的孩子一样用电脑打游戏,合理引导,告诉他需要考上高中、考上大学,去读研究生,你掌握的Matlab才大有天地。

我自己读初中的时候,感兴趣看看微积分,用MATLAB做做数学题,引来的反而是数学老师的嘲笑,我翻了翻某老师简历,XX师范学院出身,难怪不大理解我的行为,所以数学成绩也上不去,七八十徘徊。我毕业后走进大学课堂(普通师范类院校)任教,看着普通高校里大学生们的状态,我也就大概理解现在的大部分中小学老师的思维方式了。所以,像深圳中学引进清华、北大的博士,绝不是充门面,而是教育改革非常好试点,让有见识的老师们引领孩子们更好地成长,在素质和考试能力取得平衡,多多产生“第十名”的学生,而不是一个应试机器。

我读初中那会,互联网尚不发达,MATLAB 6.5是5元一张的盗版碟,很多资料得去新华书店去找。但是现在互联网这么发达,我相信现在某些有点小机灵的孩子努力找找,用Mathematica,Matlab数学软件解题的现象肯定会越来越多,所以如何引导这帮“不按套路“的学生,也是教育者需要面对的问题。

这是我自己的经历,作为曾经的“问题学生”,虽然在初中那会没得到老师的理解,但是还是得到了同样身为老师的父母的理解。希望借此经历能够有所启发,让那些“不走寻常路“的孩子拥有光明的未来。

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其实他的逻辑从根上就是错的。

没错,人类发明工具就是为了帮助人解决问题的,但问题是作为一个初中生,你面对数学题,你面对复杂的代数公式的时候,你的目的是解决他吗?你的目的是学会这些技能,这才是你的目的,你的目的不是要那个答案。那些答案前面的人早就算过了,老师本来就知道答案,用不着你去借助工具。作为初中生,你做所有算术题的目的都只有一个,就是通过练习使自己掌握数学知识。这才是你的目的,而你现在跳过了这个目的去追求那个答案,很抱歉,数学题的那个答案,老师知道,不需要你节省时间去获得。

换句话说,如果今天发明一个神奇的工具,可以帮助初中生瞬间就牢牢的掌握相关的数学知识,那我觉得老师会毫不犹豫的用的,家长也会鼓励你用,你不用可能还会逼你用。

为什么在长大以后从事科研的时候。大家可以用这些工具,是因为在科研工作当中那个答案变成了真正的目的,运算过程反而不是目的。所以大家使用工具直接跳到了那个答案。

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其实做数学的人更常用 Mathematica ,只要稍微尝试就会发现它的好处。我根本就不认为使用数学软件会有什么坏处,不过需要指出的是数学软件的局限性。多年来人们对于计算机完成证明做了很多工作,但是仍然很不理想,这说明人类在数学工作中的不可替代。

数学是用逻辑包装起来的艺术。局外人只能看到数学的逻辑严密,只有经过大量数学训练的人才会认识到数学工作中普遍存在的非逻辑因素。初中生意识到数学包含大量机械工作是好事,但是想要看到数学的非理性成分,恐怕有较大的难度。

举个初中生可以看懂的例子。设 是一个正整数,则 有什么性质?

第一, 这是因为 个正数相乘还是正数。

第二, 随 的增大而减小。如何证明这个结论?

因为 所以 这一步利用了不等式的性质,需要注意 在这个推理中发挥的作用。

对于任意正整数 当 时,由不等式的传递性可知

可以看到这个结论的证明已经有一些技术含量了。

第三,随着 的增大, 趋于零。这个结论看上去挺直观,但是想要用严格的数学语言表达也不是很容易,因为“趋于”并不是一个精确的说法。

事实上,这个结论可以叙述为对于任意 存在正整数 使得当 时, 因为我们已经证明了 这样就可以把 控制在 至 之间。

比叙述这个结论更难的是证明。我们指出,由第二个结论推不出这个结论,例如 也随 的增大而减小,但是它并不趋于零。

想要证明这个结论,就要按照上面的叙述,对于任意 构造满足条件的

我们介绍另一个结论。设 是一个正整数,则

证明这个结论需要称为数学归纳法的技巧。当 时结论显然成立。假设当 时结论成立,那么当 时

于是结论也成立。所以结论对于任意 成立。

这个结论与我们要证明的结论有什么关系呢?它可以将 放大为一个不含乘方的数。

将 中的 替换成 再两边取倒数,得到

解不等式 得到

接下来,我们只要构造 是一个不小于 的正整数就可以了。

这个结论实际上可以记为极限

如果使用 Mathematica ,可以直接进行这样的计算

然而这不过是因为计算所需的结论已经被储存起来,计算机并没有能力写出上面的证明过程。

事实上,刚才证明的结论 计算机并不知道,也不能证明

可以想象,即使计算机知道这个结论,也没有能力在证明极限时使用,因为如何想到这个结论并不是逻辑可以解释的事情。

凡是计算机有能力做的,都可以用计算机做。但是计算机的能力相当有限,数学是包含大量人为因素的东西。

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